CN103793545A - 电力系统稳定性优化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统稳定性优化系统。本发明公开一种用于电力系统(100)稳定性优化的方法和装置。对包含电源元件(109)和负载元件(111)的电力系统(100)进行仿真以生成阻抗数据(328),其中阻抗数据(328)识别电力系统(100)的阻抗。电力系统(100)的稳定性概况(401)被表征为阻抗数据(328)的函数,其中稳定性概况(401)识别电源元件(109)和负载元件(111),以通过电力系统(100)控制电能生成,从而优化电力系统(100)的稳定性。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于分析电力系统的稳定性的系统和方法。更特别地,本发明涉及用于为电力系统生成阻抗数据并利用该阻抗数据来优化电力系统的稳定性的系统和方法。
背景技术
飞行器可以采用各种电子器件和系统来执行飞行器上的各种功能。飞行器上的电子器件和系统的电能可以由飞行器电力系统提供。飞行器电力系统可以包含若干发电机以及各种电能分配和转换系统。例如,飞行器上的电力系统可以包含由飞行器引擎驱动的若干发电机。
电力系统的稳定性可以被定义为系统在受到干扰之后恢复正常的平衡状态的能力。所期望的是可以针对稳定性设计飞行器上的电力系统。
飞行器上的许多电力负载可以使用稳压电子器件,以便提高效率、电能质量和电能密度。这样的电力负载可能以不期望的方式影响飞行器上的电力系统的稳定性。
可能期望的是优化飞行器上的电力系统,以确保电能效率、密度和质量的稳定性。此外,优化飞行器上的电力系统失败可能增加成本。比较不优化的电力系统可能被过度设计,更重,并且具有更大的体积装载要求。因此,装备这种比较不优化的电力系统的飞行器可能在运行期间使用更多的燃料。在这个燃料成本日益增加的时代,拥有解决这一问题的方案已经变得更为重要。类似地,比较不优化的电力系统可能需要更频繁的维护,并且此类系统的组件可能需要更经常地修复及替换。因此,此类系统可能具有更高的寿命周期成本。
优化飞行器上的电力系统的稳定性可能存在几个技术问题。第一个技术问题可能是表征许多可能的电力系统设计的稳定性概况以便为飞行器识别最佳电力系统的问题。第二个技术问题可能是准确地表征电力系统的稳定性概况以便为飞行器准确地识别稳定的电力系统的问题。第三个技术问题可能是以一种方式同时解决第一个技术问题和第二个技术问题以使得许多可能的电力系统设计的稳定性概况可以被有效地表征而不牺牲这些表征的准确性的问题。
用于分析电力系统设计的稳定性的目前可用系统和方法可能是有限的,并且不能提供关于优化飞行器上的电力系统的稳定性的技术问题的解决方案。电力系统的稳定性分析可能仅部分通过目前可购置的仿真软件来执行。例如,一些目前可用的仿真软件产品可能只能识别直流到直流转换器的直流阻抗。其它目前可用的仿真软件产品可能能够识别系统的交流阻抗,但仅是在一些具体的假设和限制的情况下。例如,在平衡的线路电压并且具有系统频率的先验知识的假设下,一些仿真软件产品可能能够识别交流阻抗。这种仿真软件产品可能也会要求在阻抗被识别的每个频率的仿真中引入正弦分量。
当前方法可能无法整合稳定性分析方法,并且可能缺乏用于稳定性分析的普遍而全面的方法。例如,当前方法可能要求针对每个具体案例微调几个参数。当前方法的另一缺点可能是要求基于各种用户判断由用户从仿真模型中提取大量的人工数据。
因此,拥有将以上所讨论的一个或更多问题以及可能的其它问题考虑在内的方法和装置将是有益的。
发明内容
本发明的说明性实施例提供一种包含电力系统仿真器和稳定性分析器的装置。电力系统仿真器被配置为根据包含电源元件和负载元件的电力系统的电力系统仿真模型生成阻抗数据。阻抗数据识别电力系统的阻抗。稳定性分析器与电力系统仿真器通信,并被配置为将电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数,其中稳定性概况识别电源元件和负载元件以通过电力系统控制电能生成,从而优化电力系统的稳定性。
本发明的另一说明性实施例提供一种用于电力系统稳定性优化的方法。包含电源元件和负载元件的电力系统被仿真以生成阻抗数据,其中阻抗数据识别电力系统的阻抗。电力系统的稳定性概况被表征为阻抗数据的函数,其中稳定性概况识别电源元件和负载元件以通过电力系统控制电能生成,从而优化电力系统的稳定性。
本发明的另一说明性实施例提供一种用于识别电力系统的阻抗的方法。由处理器单元对包含电源元件和负载元件的电力系统进行仿真。用电源元件和负载元件之间的接口处的线路频率来表征电力系统。以多个扰动频率将扰动信号引入到电力系统的电力系统仿真模型中。由处理器单元利用在时间的窗口内计算的快速傅里叶变换生成阻抗数据。该阻抗数据识别电力系统的阻抗。由处理器单元选择多个扰动频率以使得线路频率和多个扰动频率是窗口的频率的整数倍。
有利地,该方法包括利用现实世界电力系统的阻抗测量数据来表征现实世界电力系统的稳定性概况。优选地,处理器单元对包含电源元件和负载元件的电力系统进行仿真,其中电力系统由电源元件和负载元件之间的接口处的线路频率来表征,并且以多个扰动频率将扰动信号引入到电力系统的电力系统仿真模型中;由处理器单元利用快速傅里叶变换生成阻抗数据,其中在时间的窗口内计算快速傅里叶变换,并且其中阻抗数据识别电力系统的阻抗;以及由处理器单元选择多个扰动频率以使得线路频率和多个扰动频率是窗口的频率的整数倍。优选地,将电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数,其中稳定性概况识别电源元件和负载元件以通过电力系统控制电能生成,从而优化电力系统的稳定性。
有利地,通过选择多个初始扰动频率;识别线路频率;选择窗口的频率以使得线路频率是窗口的频率的整数倍;以及调整多个初始扰动频率来提供多个扰动频率,其中从多个单音调信号和一个多音调信号中选择扰动信号,其中多音调信号包含多个扰动频率。优选地,通过选择多个扰动频率使得多音调信号中的多个扰动频率不交叠。
有利地,表征电力系统的稳定性概况包括利用从广义奈奎斯特(Nyquist)准则、广义奈奎斯特准则的简化形式和运用于单输入单输出系统的奈奎斯特准则中选择的准则来表征电力系统的稳定性概况。
另一说明性实施例提供用于优化飞行器上的电力系统的系统,其包含阻抗识别器和稳定性分析器。阻抗识别器被配置成为飞行器上的电力系统生成阻抗数据,其中飞行器上的电力系统包含电源元件和负载元件,并且其中阻抗数据识别飞行器上的电力系统的阻抗。稳定性分析器与阻抗识别器进行通信,并被配置为将飞行器上的电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数,其中稳定性概况识别电源元件和负载元件以通过飞行器上的电力系统控制电能生成,从而优化飞行器上的电力系统的稳定性。
有利地,该系统利用阻抗识别器和稳定性分析器来优化飞行器上的电力系统,该阻抗识别器被配置成为飞行器上的电力系统生成阻抗数据,其中飞行器上的电力系统包含电源元件和负载元件,并且其中阻抗数据识别飞行器上的电力系统的阻抗;该稳定性分析器与阻抗识别器进行通信并被配置为将飞行器上的电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数,其中稳定性概况识别电源元件和负载元件以通过飞行器上的电力系统控制电能生成,从而优化飞行器上的电力系统的稳定性。优选地,阻抗识别器包含被配置为根据飞行器上的电力系统的电力系统仿真模型生成阻抗数据的电力系统仿真器。
优选地,稳定性分析器被配置为将飞行器上的电力系统的稳定性概况表征为飞行器上的电力系统的阻抗数据的函数。
这些特征、功能和有益效果可以在本发明的各种实施例中独立实现,或者可以在其它实施例中进行组合,其中参考以下描述和附图能够了解进一步的细节。
附图说明
在随附权利要求中阐述了说明性实施例的被认为是新颖特征的特性。然而,当结合附图进行阅读时,可以通过参考本发明的说明性实施例的以下详细描述最好地理解说明性实施例及其优选使用方式、进一步的目标及其特征,其中:
图1示出根据说明性实施例的电力系统的框图;
图2示出根据说明性实施例的稳定性分析系统的框图;
图3示出根据说明性实施例的阻抗识别器的框图;
图4示出根据说明性实施例的稳定性分析器的框图;
图5示出根据说明性实施例的用户界面的框图;
图6示出根据说明性实施例用于控制阻抗识别的用户界面;
图7示出根据说明性实施例的系统启动期间的线路信号显示;
图8示出根据说明性实施例的扰动频率显示;
图9示出根据说明性实施例用于控制稳定性分析、阻抗数据图显示及稳定性分析显示的用户界面;
图10示出根据说明性实施例用于阻抗识别和稳定性分析的过程的流程图;
图11示出根据说明性实施例用于根据仿真进行阻抗识别的过程的流程图;
图12示出根据说明性实施例用于选择快速傅里叶变换窗口和扰动频率的过程的流程图;
图13示出根据说明性实施例用于选择扰动频率以避免多音调信号中交叠的扰动频率的过程的流程图;
图14示出根据说明性实施例用于稳定性分析的过程的流程图;以及
图15示出根据说明性实施例的数据处理系统的框图。
具体实施方式
不同的说明性实施例认识并考虑到若干不同的考虑因素。如本文指代项目时所用,“若干”的意思是一个或更多个项目。例如,“若干不同的考虑因素”的意思是一个或更多个不同的考虑因素。
不同的说明性实施例认识并考虑到可能期望优化飞行器或其它交通工具上使用的电力系统的稳定性。然而,用于分析电力系统的稳定性的当前可用的系统和方法可能是有限的并且不能提供关于优化电力系统的技术问题的解决方案。
说明性实施例提供一种系统和方法,其为优化电力系统的稳定性的技术问题提供新颖且有创造性的技术方案。例如,说明性实施例通过提供集成的电力系统仿真和稳定性分析功能来为表征多个电力系统设计的稳定性概况的技术问题提供一种技术方案。电力系统仿真器可以被配置成为包含电源元件和负载元件的电力系统生成阻抗数据。稳定性分析器可以与电力系统仿真器通信并可以被配置为将电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数。稳定性概况可以被用来为电力系统的优化稳定性识别电源元件和负载元件。
通过自动选择并控制电力系统仿真的各种参数的特性,说明性实施例为表征多个电力系统设计的稳定性概况的技术问题提供另一技术方案。例如,说明性实施例可以自动选择多个扰动频率以将其引入到电力系统仿真中,从而识别电力系统的阻抗。说明性实施例可以将多个扰动频率以多音调信号的形式同时引入到电力系统仿真中。
通过基于电力系统的所识别的特性自动选择或调整电力系统仿真的参数的特性以提高由电力系统仿真所生成的阻抗数据的准确性,说明性实施例可以为准确地表征电力系统的稳定性概况的技术问题提供一种技术方案。例如,说明性实施例可以基于电力系统的线路频率特性自动选择或调整引入到电力系统仿真中的扰动频率、用来生成阻抗数据的快速傅里叶变换窗口或两者,以提高电力系统仿真所生成的阻抗数据的准确性。
通过例如自动调整以多音调信号的形式同时引入到电力系统仿真中的多个扰动频率,使得多音调信号中的多个扰动频率不会以可能影响由电力系统仿真所生成的阻抗信号的精确性的方式交叠,说明性实施例可以为有效地表征多个电力系统设计的稳定性概况而不牺牲这些表征的准确性的技术问题提供一种技术方案。该技术方案可以被用来更迅速地表征电力系统的稳定性概况而不降低此类表征的准确性。
现在转向图1,其示出根据说明性实施例的电力系统的框图。在该示例中,电力系统100可以为飞行器102提供电能。
飞行器102可以是任何类型的飞行器。例如但非限制地,飞行器102可以是固定翼、旋转翼或轻于空气的飞行器。飞行器102可以被配置为运载乘客、货物、乘客和货物二者,或者可以被用来执行任何其它操作或任务。飞行器102可以由航空公司、军事单位或任何其它私人或政府实体来操作。
飞行器102是可以由电力系统100为其提供电能的交通工具104的示例。电力系统100可以为不同于飞行器102的交通工具提供电能。例如但非限制地,交通工具104可以是被配置为在天空中、太空中、陆地上、水面上、水下或任何其它操作环境或环境组合中行进的任何交通工具。
交通工具104是可以由电力系统100为其提供电能的平台106的示例。电力系统100可以为不同于交通工具104的平台提供电能。例如但非限制地,平台106可以包括任何固定的或移动的平台。
电力系统100可以包括电源108和负载110。电源108可以包括用于生成、转换及分配电力的各种电源元件109。例如但非限制地,电源元件109可以包括用于生成、转换及分配电力的各种系统、设备、电路组件或配置。负载110可以包含任意数目的负载元件111。负载元件111可以包括各种类型的电力负载以及此类负载的各种组件。例如但非限制地,负载元件111可以包括负载的各种组件,所述负载含有用来提高此类负载的效率、电能质量、电能密度或其它特性的稳压电子器件。负载110可以在接口112处连接到电源108。
电源108可以用电源阻抗114来表征。负载110可以用负载阻抗116来表征。电源阻抗114和负载阻抗116可以在接口112处被识别。
电力系统100可以是直流(DC)电力系统118或交流(AC)电力系统120。交流电力系统120可以是单相122或多相124电力系统。例如但非限制地,交流电力系统120可以是三相电力系统。
电力系统100可以用稳定性126来表征。稳定性126可以被定义为电力系统100在受到干扰后恢复正常的平衡状态的能力。电力系统100可以被表征为稳定128或不稳定130。
现在转向图2,其示出根据说明性实施例的稳定性分析系统的框图。在该示例中,稳定性分析系统200可以被用来识别图1中的电力系统100的稳定性126。稳定性分析系统200可以包含阻抗识别器202、稳定性分析器204和用户界面206。
阻抗识别器202可以被配置为通过利用电力系统仿真模型210运行电力系统的仿真来为电力系统生成阻抗数据208。阻抗数据208识别由电力系统仿真模型210建模的电力系统的阻抗。由阻抗识别器202生成的阻抗数据208可以被存储作为已存储的阻抗数据212。
稳定性分析器204可以被配置为利用由阻抗识别器202生成的阻抗数据208来分析电力系统的稳定性。稳定性分析器204也可以被配置为利用已存储的阻抗数据212分析电力系统的稳定性。例如但非限制地,已存储的阻抗数据212可以包括仿真数据214。仿真数据214可以包括由阻抗识别器202生成的阻抗数据208、由除了阻抗识别器202之外的用于仿真电力系统的系统或方法生成的阻抗数据或两者。
稳定性分析器204也可以被配置为利用阻抗测量数据218来分析现实世界电力系统216的稳定性。已存储的阻抗数据212可以包括阻抗测量数据218。阻抗测量数据218可以识别现实世界电力系统216的阻抗。阻抗测量数据218可以由阻抗测量系统220生成。阻抗测量系统220可以是利用任何合适方法来识别现实世界电力系统216的阻抗的任何合适系统。
用户界面206可以包括各种图形用户界面222。例如但非限制地,用户界面206可以包括用于由用户224控制阻抗识别器202、稳定性分析器204或两者的操作的界面。用户界面206也可以包括阻抗数据208的绘图显示、已存储的阻抗数据212的绘图显示或两者。用户界面216也可以包括由稳定性分析器214提供的稳定性分析的显示。
用户界面206可以在用户界面设备226上被显示或以其他方式呈现给用户224。例如但非限制地,用户界面设备226可以包括用于向用户224显示图形用户界面222的显示设备228。用户界面设备226也可以被配置为随着用户224与显示在用户界面设备226上的图形用户界面222的交互而接收来自用户224的输入。例如,用户界面设备226可以包括用于接收来自用户224的输入的输入设备230。
现在转向图3,其示出根据说明性实施例的阻抗识别器的框图。在该示例中,阻抗识别器300是图2中的阻抗识别器202的一种实施方式的示例。
阻抗识别器300可以被配置为包含电力系统仿真器302。电力系统仿真器302可以被配置为运行由电力系统仿真模型304描述的电力系统的仿真。
由电力系统仿真模型304描述的电力系统可以用线路频率306来表征。线路频率306可以被定义为电力系统中线路上的信号的稳态频率,在该频率下,由阻抗识别器300识别电力系统的阻抗。例如但非限制地,线路频率306可以是电力系统中电源与负载之间的接口处的信号的稳态频率,在该频率下,由阻抗识别器300识别电力系统的阻抗。
阻抗识别器300可以包含扰动信号引入器308。扰动信号引入器308可以被配置为将扰动信号310引入到电力系统仿真器302中。例如但非限制地,可以在由电力系统仿真器302仿真的电力系统中的电源和负载之间的接口处引入扰动信号310。扰动信号310可以被引入电力系统仿真器302中作为串联电压312或分路电流314。扰动信号310可以包括交流(AC)信号316或直流(DC)信号318,视情况而定。
扰动信号310可以包括若干扰动频率320。扰动信号310可以是单音调322信号或多音调324信号。当扰动信号310是单音调322信号时,引入电力系统仿真器302中的每个扰动信号310包含若干扰动频率320中的单个频率。当扰动信号310是多音调324信号时,引入电力系统仿真器302中的扰动信号310中的单个信号可以包含若干扰动频率320中的多个频率。
阻抗数据生成器326可以被配置为根据受扰动信号310的引入影响的电力系统仿真器302生成阻抗数据328。阻抗数据328可以识别由电力系统仿真模型304定义的电力系统的阻抗。阻抗数据328可以包括电源阻抗数据330和负载阻抗数据332。可以在频域334中提供阻抗数据328。
可以由阻抗数据生成器326利用快速傅里叶变换336以已知方式生成阻抗数据328。可以在由窗口338定义的已知的一段时间内计算快速傅里叶变换336。
若干扰动频率320可以由扰动频率选择器340选择。例如,可以由扰动频率选择器340选择若干扰动频率320以使得线路频率306和若干扰动频率320是窗口338的频率的整数倍。可以由扰动频率选择器340选择若干扰动频率320以使得是多音调324信号的一个扰动信号310中的若干扰动频率320不发生交叠。
扰动频率选择器340可以被配置为选择初始扰动频率342并调整初始扰动频率342以形成最终扰动频率344。在这种情况下,最终扰动频率344是被引入电力系统仿真器302中的扰动信号310的若干扰动频率320。
利用商业上可用的仿真软件可以实现阻抗识别器300的各种功能。例如但非限制地,可以利用使用SimPowerSystems工具箱的SimuLink/MATLAB软件或任何其它合适的仿真软件来实现阻抗识别器300的各种功能。具有SimPowerSystems工具箱的MATLAB提供几种不同的求解器,并且是用于不同开关电能转换器电路的时域仿真的常用软件工具。例如,用于引入扰动信号310和生成阻抗数据328的仿真块可以被单独地构建并被放入Simulink库中。
现在转向图4,其示出根据说明性实施例的稳定性分析器的框图。在该示例中,稳定性分析器400是图2中的稳定性分析器204的一种实施方式的示例。
稳定性分析器400可以被配置为将电力系统的稳定性概况401表征为该电力系统的阻抗数据的函数。例如,稳定性概况401可以被用来识别电源元件和负载元件以通过电力系统控制电能生成,从而优化电力系统的稳定性。如果电力系统既稳定又能满足电力系统的任何其他期望特性,则电力系统的稳定性可以被优化。
稳定性分析器400可以被配置为将电力系统的稳定性概况401表征为该电力系统的阻抗数据的函数。稳定性分析器400可以被配置为利用电力系统的阻抗和若干项准则来表征电力系统的稳定性概况401。例如但非限制地,稳定性分析器400可以被配置为利用广义奈奎斯特(Nyquist)准则402、广义奈奎斯特准则的简化形式404或适用于单输入单输出系统的奈奎斯特准则406来分析电力系统的稳定性。
现在转向图5,其示出根据说明性实施例的用户界面的框图。在该示例中,用户界面500是图2中的用户界面206的实施方式的示例。
例如但非限制地,用户界面500可以包括用于阻抗识别控制502、稳定性分析控制504、线路信号显示506、扰动频率显示508、阻抗数据绘图显示510、稳定性分析显示512的界面,其它用户界面514或用户界面的各种组合。根据说明性实施例,用于阻抗识别控制502的用户界面500可以被配置为向用户提供用于控制由稳定性分析系统生成仿真的阻抗数据的各种选项。用于稳定性分析控制504的用户界面500可以被配置为向用户提供用于控制稳定性分析系统利用阻抗测量数据或来自仿真的阻抗数据执行稳定性分析的各种选项。线路信号显示506可以显示电力系统仿真中某点处的线路信号,从而用户可以在将扰动信号引入到仿真中之前确定仿真已经达到稳定状态。扰动频率显示508可以表明将被引入到仿真中以生成阻抗数据的扰动频率。
图2-5的图示并不意味着暗示对可以实现不同说明性实施例的方式的物理或架构限制。可以使用附加于、替换或附加并替换所说明的组件的其它组件。在一些说明性实施例中,一些组件可能是非必要的。而且,展示这些块是为了说明一些功能性组件。当在不同的说明性实施例中实现时,这些块中的一个或更多个可以被组合或划分为不同的块。
现在转向图6,其示出根据说明性实施例的用于控制阻抗识别的用户界面。在该示例中,用户界面600是图2中的用户界面206的一种实施方式的示例。更特别地,在该示例中,用户界面600是图5中的阻抗识别控制502的一种实施方式的示例。
根据说明性实施例,用户界面600被配置为向用户提供用于控制由稳定性分析系统生成仿真的阻抗数据的各种选项。例如但非限制地,用户可以通过选择标签602来访问用户界面600。
用户可以选择用户界面600上的按钮604来识别用来生成阻抗数据的电力系统仿真模型。用户可以选择用户界面600上的按钮606来输入或选择所生成的阻抗数据的文件名称。所生成的阻抗数据的文件名称可以显示在用户界面600上的608处。然后,用户可以选择用户界面600上的按钮610来开始仿真。
现在转向图7,其示出根据说明性实施例的系统启动期间的线路信号显示。在该示例中,线路信号显示700是图2中的用户界面206的一种实施方式的示例。更特别地,在该示例中,线路信号显示700是图5中的线路信号显示506的一种实施方式的示例。
响应于用户选择用户界面600上的按钮610以开始仿真,可以向用户显示线路信号显示700。在仿真到达指定的时间后,线路信号图702被显示在线路信号显示700中。可以选择指定的时间以允许在仿真开始之后且显示线路信号图702之前仿真稳定。例如但非限制地,指定的时间可以由用户指定。
线路信号图702可以是仿真中某一位置处的信号的绘图,在该位置处扰动信号将被引入到仿真中并且阻抗数据将被确定。例如但非限制地,线路信号图702可以是所仿真的交流系统的直轴(d-axis)电压信号图,或者是所仿真的直流系统的直流电压信号图。
用户可以查看线路信号显示700中的线路信号图702以确认在将扰动信号引入到仿真中之前仿真已经到达稳定状态。如果线路信号图702表明仿真还未到达稳定状态,则用户可以改变仿真参数。
现在转向图8,其示出根据说明性实施例的扰动频率显示。在该示例中,扰动频率显示800是图2中的用户界面206的一种实施方式的示例。更特别地,扰动频率显示800是图5中的扰动频率显示508的一种实施方式的示例。
响应于用户选择用户界面600中的按钮802,可以显示扰动频率显示800。扰动频率显示800表明将被引入到仿真中以生成阻抗数据的扰动频率。例如但非限制地,扰动频率可以由扰动频率显示800中的点804指明。可以由稳定性分析系统自动选择在扰动频率显示800中指明的扰动频率。可选地,用户可以改变将被引入到仿真中的扰动频率。
在检查扰动频率显示800中的扰动频率之后,用户可以选择用户界面600中的按钮806以继续进行仿真。例如,响应于选择按钮806,可以将扰动信号以所选扰动信号频率引入到仿真中并生成阻抗数据。可以将生成的阻抗数据保存到之前识别的文件中。可替换地,用户可以选择用户界面600中的按钮808以在没有任何额外用户输入的情况下自动运行以下步骤:开始仿真并允许仿真达到稳定状态,选择扰动信号频率,引入扰动信号,以及生成并保存阻抗数据。
在生成并保存阻抗数据之后,用户可以选择按钮810来退出。可替换地,用户可以选择标签812以利用生成的阻抗数据来执行稳定性分析。
现在转向图9,其示出根据说明性实施例用于控制稳定性分析、阻抗数据绘图显示以及稳定性分析显示的用户界面。在该示例中,用户界面900、902和904是图2中的用户界面206的实施方式的示例。更特别地,在该示例中,用户界面900是图5中的稳定性分析控制504的一种实施方式的示例。用户界面902是图5中的阻抗数据绘图显示510的一种实施方式的示例。用户界面904是图5中的稳定性分析显示512的一种实施方式的示例。
用户界面900可以被配置为向用户提供用于控制根据说明性实施例的稳定性分析系统以利用阻抗测量数据或来自仿真的阻抗数据执行稳定性分析的各种选项。例如,用户可以通过选择标签812来访问用户界面900,从而执行稳定性分析。
用户可以选择用户界面900中的按钮906和908来识别将被用来执行稳定性分析的阻抗数据。阻抗数据可以来自实验或者来自仿真。例如,用户可以选择按钮906来识别电源阻抗数据的文件。用户可以选择按钮908来识别负载阻抗数据的文件。
在识别将要使用的阻抗数据之后,用户可以选择按钮910来利用广义奈奎斯特准则执行稳定性分析。用户可以选择按钮912来利用广义奈奎斯特准则(GNC)的简化形式执行稳定性分析。例如,广义奈奎斯特准则的简化形式可以被用于带有单功率因数负载的AC系统的稳定性分析。用户可以选择按钮914来利用适用于单输入单输出(SISO)系统的奈奎斯特准则执行稳定性分析。
在稳定性分析中使用的阻抗数据可以被显示为用户界面902中的绘图。在同一图表中绘制多个阻抗可以使得更好地理解不同操作条件下的阻抗对比和变化。在该示例中,用户可以选择用户界面900中的按钮916来指定在用户界面902中显示AC多图阻抗。用户可以选择用户界面900中的按钮918来指定在用户界面902中显示DC多图阻抗。用户可以选择用户界面900中的按钮920来执行多个阻抗图分析。
可以通过对AC系统的复平面中的特征值轨迹或对DC系统或简化准则的回归率(return ratio)的轨迹进行检查来执行稳定性分析。在该示例中,可以在用户界面904中显示用于执行稳定性分析的适当绘图。用户可以选择用户界面900中的按钮922来退出。
现在转向图10,其示出根据说明性实施例用于阻抗识别和稳定性分析的过程的流程图。在该示例中,过程1000可以在例如图2中的稳定性分析系统200中实现。
首先可以是确定是否使用现有阻抗数据(操作1002)。如果将使用现有阻抗数据,则可以识别现有阻抗数据的位置(操作1004)。例如但非限制地,现有阻抗数据的位置可以是数据处理系统中包含现有阻抗数据的文件的位置。现有阻抗数据可以是实验数据或之前生成的仿真数据。然后,可以从所识别的位置中获取现有阻抗数据(操作1006)。
如果不使用现有阻抗数据,则可以通过仿真生成阻抗数据(操作1008)。可以存储所生成的阻抗数据(操作1010)。继操作1006和1010之后,可以显示阻抗数据的绘图(操作1012)。
然后可以是确定是否执行稳定性分析(操作1014)。如果不执行稳定性分析,则该过程可以终止。否则,可以利用阻抗数据执行稳定性分析(操作1016),之后该过程终止。例如,操作1016可以包括将电力系统的稳定性概况表征为阻抗数据的函数。稳定性概况可以被用来识别电源元件和负载元件以通过电力系统控制电能生成,从而优化电力系统的稳定性。
现在转向图11,其示出根据说明性实施例通过仿真进行阻抗识别的过程的流程图。在该示例中,过程1110是用于实现图10中的操作1008的过程的一种实施方式的示例。例如,该过程可以在图3中的阻抗识别器300中实现。
该过程可以开始于识别为其生成阻抗数据的电力系统的电力系统仿真模型(操作1102)。可以加载该模型并且初始化仿真(操作1104)。然后可以运行仿真(操作1106)。
可以显示来自所运行的仿真的线路信号(操作1108)。可以利用线路信号的显示来确定仿真是否已经达到稳定状态(操作1110)。如果仿真还未达到稳定状态,则该过程可以返回到操作1108并且可以继续显示线路信号,直到仿真达到稳定状态。
当确定仿真已经达到稳定状态时,可以选择在仿真中引入串联电压或分路电流(操作1112)。可以选择快速傅里叶变换(FFT)窗口和扰动频率(操作1114)。可以显示扰动频率(操作1116)。可以将扰动信号引入到仿真中(操作1118)。可以生成阻抗数据(操作1120)。可以显示阻抗数据的绘图(操作1122),之后该过程终止。
现在转向图12,其示出根据说明性实施例用于选择快速傅里叶变换窗口和扰动频率的过程的流程图。在该示例中,过程1200是图11中的操作1114的一种实施方式的示例。
快速傅里叶变换隐含地假设在测量周期之后信号重复其自身,其中在测量周期内该变换被确定。实际上,信号本质上是时间有限(time-limited)的并且除了测量间隔之外对该信号一无所知。如果测量时间是信号周期的整数倍,则在频域表达中不存在失真。然而,如果测量时间不是信号周期的倍数,则可能存在频谱泄漏并且产生的频谱可能不正确。
为避免频谱泄漏效应,根据说明性实施例用于通过仿真生成阻抗数据的快速傅里叶变换的测量时间(在此被称为快速傅里叶变换窗口(TFFT_window))可以被选择为各种信号分量的所有周期的倍数。除扰动频率外,在交流接口处也存在线路频率分量。因此,快速傅里叶变换窗口可以被选择为包含整数个线路周期和整数个所有扰动周期,即TFFT_window=m*Tline=n*Tpert,其中Tline是线路周期,Tpert是扰动周期,并且m和n是整数值。
如果快速傅里叶变换窗口被选择为对于线路频率分量和扰动频率分量是周期性的,则在一些情况下,快速傅里叶变换窗口可能不期望地长。例如,如果扰动频率为121Hz,并且线路频率为60Hz,为了对于两种频率分量都是周期性的,则快速傅里叶变换窗口的频率应当为1Hz,其包含121个扰动周期和60个线路频率周期。更好的选择是将扰动频率略微移动到120Hz。在这种情况下,可以将快速傅里叶变换窗口的频率选择为60Hz,其包含一个线路频率周期和两个扰动周期。
根据说明性实施例,可以将扰动频率从原始选择的值略微移动以减少仿真时间。频率分辨率fresolution被定义为允许从扰动频率的原始值移动扰动频率的最小距离。过程1200实现了规定TFFT_window=m*Tline=n*Tpert并在fresolution值范围内偏移初始扰动频率以将快速傅里叶变换窗口保持在最小尺寸的算法。这些规定在不平衡和失真的条件下也确保了精确的阻抗估计。
该过程开始于选择若干初始扰动频率(操作1202)并识别电力系统仿真的线路频率(操作1204)。然后,可以确定线路频率是否大于最低初始扰动频率(操作1206)。
如果线路频率大于最低初始扰动频率,则可以通过对线路频率除以最低初始扰动频率的商进行取整(ROUND)来计算整数值m(操作1208)。然后,可以将快速傅里叶变换窗口频率设置为等于线路频率除以值m(操作1210)。如果线路频率不大于最低初始扰动频率,则可以将快速傅里叶变换窗口频率设置为等于线路频率(操作1212)。
继操作1210或操作1212中任一个之后,可以将最终扰动频率设置为等于快速傅里叶变换窗口频率乘以对初始扰动频率与快速傅里叶变换窗口频率的商进行取整的值(操作1214),之后该过程终止。可以针对操作1202中选择的若干初始扰动频率中的每一个重复进行操作1214,以确定在仿真中使用的若干最终扰动频率。
现在转向图13,其示出根据说明性实施例用于选择扰动频率以避免多音调信号中的扰动频率发生交叠的过程的流程图。过程1300是用于选择扰动频率以避免多音调信号中的扰动频率发生交叠的过程的一个示例。在不同的说明性实施例中,可以使用不同于过程1300的过程来选择扰动频率以避免多音调信号中的扰动频率发生交叠。
在多音调方案中,同时引入多个频率的扰动信号。在这种情况下,扰动频率的频率分量可能交叠,这可能影响阻抗结果。例如,在同时引入240Hz和1360Hz两个扰动频率并且线路频率是400Hz的情况下,频谱可能显示640Hz分量是两个分裂频率400Hz+240Hz和2000Hz-1360Hz的交叠。
最高扰动频率可以被限制为小于线路频率的两倍以避免交叠,但是这将是对频率测量范围的限制。过程1300执行一种算法来改进该多音调方案,同时使其能够测量高于线路频率值的两倍的范围。
为从多音调方案和单音调方案中得到相同的结果,应当避免交叠的扰动频率的影响。如果测量频率范围低于线路频率值的两倍,则其可以显示出将不存在交叠,并且多音调方案能够给出与单音调方案相同的结果。如果测量频率范围是不受限制的,则扰动频率将可能交叠。为避免该影响,提出一种迭代算法。
交叠的扰动频率的判定准则被定义为两个扰动频率的总和是线路频率的倍数:
fp1+fp2=mfline±fresolution
其中m=0,1,2...∞。
在确定将要引入的扰动频率fpi(操作1302)之前,可以对照该准则检查低于fpi的所有扰动频率(操作1304、1308和1310)。如果fpi与任何其它的扰动频率交叠,则在确定fpi(操作1302)之前可以用快速傅里叶变换分辨率频率对其进行调整fresolutin(操作1306),之后该过程终止。过程1300可以重复执行,直到不再有扰动频率交叠。
现在转向图14,其示出根据说明性实施例用于稳定性分析的过程的流程图。在该示例中,过程1400可以在例如图4中的稳定性分析器400中实现。
该过程可以开始于选择负载阻抗数据和电源阻抗数据(操作1402)。可以根据试验或仿真生成所选择的负载阻抗数据和电源阻抗数据。然后,可以确定是对AC系统还是对DC系统进行分析(操作1404)。
如果是对AC系统进行分析,则可以确定是否可以使用简化的AC稳定性准则(操作1406)。如果不可以使用简化的AC稳定性准则,则可以使用利用所有dq阻抗的广义奈奎斯特准则(操作1408)并且可以显示回归率的特征值轨迹(操作1410)。如果可以使用简化的AC稳定性准则,则可以使用仅利用dd阻抗的简化的广义奈奎斯特准则(操作1412)并且可以显示回归率的绘图(操作1414)。
如果在操作1404处确定对DC系统进行分析,则可以使用利用DC阻抗的单输入单输出奈奎斯特准则(操作1416)并且可以显示回归率的绘图(操作1418)。继操作1410、1414或1418之后,可以通过检查回归率或回归率绘图的特征值轨迹来执行稳定性评估(操作1420),之后该过程终止。
现在转向图15,其示出根据说明性实施例的数据处理系统的框图。在该示例中,数据处理系统1500是用于实现图2中的稳定性分析系统200的数据处理系统的一种实施方式的示例。
在该说明性示例中,数据处理系统1500包含通信结构1502。通信结构1502提供处理器单元1504、存储器1506、永久性存储装置1508、通信单元1510、输入/输出(I/O)单元1512和显示器1514之间的通信。存储器1506、永久性存储装置1508、通信单元1510、输入/输出(I/O)单元1512和显示器1514是可以由处理器单元1504通过通信结构1502访问的资源的示例。
处理器单元1504用于运行可以被加载到存储器1506中的软件的指令。处理器单元1504可以是若干处理器、多处理器内核或一些其它类型的处理器,这取决于特定的实施方式。此外,处理器单元1504可以利用若干异构处理器系统来实现,其中主处理器和辅助处理器存在于单个芯片上。作为另一说明性实施例,处理器单元1504可以是包含多个相同类型的处理器的对称多处理器系统。
存储器1506和永久性存储装置1508是存储器件1516的示例。存储器件是能够暂时或永久地存储信息(例如但不限于数据、功能形式的程序代码和其它合适的信息)的任何一块硬件。在这些示例中,存储器件1516也可以被称为计算机可读存储器件。在这些示例中,存储器1506可以是例如随机存取存储器或任何其它合适的易失性或非易失性存储器件。永久性存储装置1508可以采用各种形式,这取决于具体的实施方式。
例如,永久性存储装置1508可以包含一个或更多组件或器件。例如,永久性存储装置1508可以是硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或以上器件的某种组合。由永久性存储装置1508使用的介质也可以是可移除的。例如,可移除的硬盘驱动器可以被用于永久性存储装置1508。
在这些示例中,通信单元1510提供与其它数据处理系统或设备的通信。在这些示例中,通信单元1510是网络接口卡。通信单元1510可以通过使用实体通信链路和无线通信链路中的任一者或两者来提供通信。
输入/输出(I/O)单元1512允许通过可能连接到数据处理系统1500的其它设备进行数据的输入/输出。例如,输入/输出(I/O)单元1512可以为通过键盘、鼠标和/或某种其它合适的输入设备进行的用户输入提供连接。此外,输入/输出(I/O)单元1512可以将输出发送到打印机。显示器1514提供向用户显示信息的机制。
用于操作系统、应用和/或程序的指令可以位于存储器件1516中,存储器件1516通过通信结构1502与处理器单元1504通信。在这些说明性示例中,指令以功能形式位于永久性存储装置1508上。这些指令可以被加载到存储器1506中以便由处理器单元1504执行。不同实施例的过程可以由处理器单元1504利用计算机实施的指令(其可以位于存储器如存储器1506中)来实现。
这些指令被称为程序指令、程序代码、计算机可用程序代码或计算机可读程序代码,其可以由处理器单元1504中的处理器读取和执行。不同实施例中的程序代码可以在不同的实体或计算机可读存储介质如存储器1506或永久性存储装置1508上体现。
程序代码1518以功能形式位于计算机可读介质1520上,该程序代码1518是选择性可移除的并且可以被加载到或转移到数据处理系统1500上以便由处理器单元1504执行。在这些示例中,程序代码1518和计算机可读介质1520形成计算机程序产品1522。在一个示例中,计算机可读介质1520可以是计算机可读存储介质1524或计算机可读信号介质1506。
计算机可读存储介质1524可以包括例如插入或置入驱动器或其它设备中的光盘或磁盘,该驱动器或其它设备是永久性存储装置1508的用于在存储设备上进行传递的一部分,例如作为永久性存储装置1508的一部分的硬盘驱动器。计算机可读存储介质1524也可以采用永久性存储装置如硬盘驱动器、拇指盘驱动器或闪存的形式,其被连接到数据处理系统1500。在一些实例中,计算机可读存储介质1524不是可从数据处理系统1500中移除的。
在这些示例中,计算机可读存储介质1524是用于存储程序代码1518的实体或有形存储设备,而不是传播或发送程序代码1518的介质。计算机可读存储介质1524也被称为计算机可读有形存储设备或计算机可读实体存储设备。换句话说,计算机可读存储介质1524是能够被人触摸到的介质。
可替换地,可以利用计算机可读信号介质1526将程序代码1518传递到数据处理系统1500。计算机可读信号介质1526可以是例如包含程序代码1518的传播数据信号。例如,计算机可读信号介质1526可以是电磁信号、光信号和/或任何其它合适类型的信号。这些信号可以经由通信链路例如无线通信链路、光纤电缆、同轴电缆、电线和/或任何其它合适类型的通信链路进行传输。换句话说,在说明性示例中通信链路和/或连接可以是实体的或无线的。
在一些说明性实施例中,可以经由网络将程序代码1518从另一设备或数据处理系统通过计算机可读信号介质1526下载到永久性存储装置1508,以便在数据处理系统1500中使用。例如,可以经由网络将存储在服务器数据处理系统中的计算机可读存储介质中的程序代码从该服务器下载到数据处理系统1500。提供程序代码1518的数据处理系统可以是服务器计算机、客户端计算机或能够存储及发送程序代码1518的一些其它设备。
针对数据处理系统1500所示出的不同组件并不意图对可能实现不同实施例的方式提供架构限制。不同的说明性实施例可以在包含附加于和/或替代针对数据处理系统1500所示出的那些组件的组件的数据处理系统中实现。图15中示出的其它组件能够根据示出的说明性示例而改变。不同的实施例可以利用能够运行程序代码的任何硬件器件或系统来实现。作为一个示例,数据处理系统1500可以包括与无机组件集成的有机组件并且/或者可以完全由除人类以外的有机组件组成。例如,存储器件可以由有机半导体组成。
在另一说明性示例中,处理器单元1504可以采用硬件单元的形式,该硬件单元具有为特定用途制造或配置的电路。这种类型的硬件可以执行操作而不需要将程序代码从存储器件加载到存储器中以便被配置为执行所述操作。
例如,当处理器单元1504采用硬件单元的形式时,处理器单元1504可以是电路系统、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件或被配置为执行若干操作的一些其它合适类型的硬件。就可编程逻辑器件而言,该器件被配置为执行若干操作。该器件可以在之后的时间里被重新配置或可以被永久配置为执行若干操作。可编程逻辑器件的示例包括例如可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列以及其它合适的硬件器件。就这种类型的实施方式而言,程序代码1518可以被省略,因为不同实施例的过程是在硬件单元中实现的。
在又一说明性示例中,处理器单元1504可以利用计算机中存在的处理器和硬件单元的组合来实现。处理器单元1504可以具有被配置为运行程序代码1518的若干硬件单元和若干处理器。就这个描述的示例而言,一些过程可以在若干硬件单元中实施,而其它过程可以在若干处理器中实施。
在另一示例中,总线系统可以被用来实现通信结构1502并且可以包括一个或更多总线,例如系统总线或输入/输出总线。当然,该总线系统可以利用在附连到总线系统的不同组件或设备间提供数据传输的任何合适类型的结构来实现。
此外,通信单元1510可以包括发送数据、接收数据或既发送数据又接收数据的若干设备。通信单元1510可以是例如调制解调器或网络适配器、两个网络适配器或其一些组合。此外,存储器可以是例如在接口和内存控制器集线器中存在的存储器1506或高速缓冲存储器,该接口和内存控制器集线器可以存在于通信结构1502中。
本文所描述的流程图和框图说明了根据各种说明性实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的结构、功能和操作。就此而言,流程图或框图中的每个块可以表示模块、片段或一部分代码,其包含用于实现特定逻辑功能或多个功能的一个或更多个可执行指令。应当注意,在一些可替换的实施方式中,块中所表明的功能可以不按照附图中表明的顺序发生。例如连续示出的两个块的功能可以被基本同时执行,或者多个块的功能有时可以被以相反的顺序执行,这取决于所涉及的功能。
为了说明和描述的目的展示了不同的说明性实施例的描述,且其不意图穷举或限于所公开形式的实施例。许多修改和变化对本领域普通技术人员来说将是显然的。此外,不同的说明性实施例相比其它说明性实施例可以提供不同的优势。选择和描述所挑选的一个或多个实施例是为了最好地解释实施例的原理、实际应用,并使本领域其他普通技术人员能理解具有适于预期特定用途的各种改进的各种实施例的公开。
Claims (14)
1.一种装置,其包含:
电力系统仿真器(302),其被配置为根据包含电源元件(109)和负载元件(111)的电力系统(100)的电力系统仿真模型(304)生成阻抗数据(328),其中所述阻抗数据(328)识别所述电力系统(100)的阻抗;以及
稳定性分析器(204),其与所述电力系统仿真器(302)通信并被配置为将所述电力系统(100)的稳定性概况(401)表征为所述阻抗数据(328)的函数,其中所述稳定性概况(401)识别所述电源元件(109)和所述负载元件(111),以通过所述电力系统(100)控制电能生成,从而优化所述电力系统(100)的稳定性。
2.根据权利要求1所述的装置,其中:
所述电力系统(100)由所述电源元件(109)和所述负载元件(111)之间的接口(112)处的线路频率(306)表征;
所述电力系统仿真器(302)被配置为以多个扰动频率(320)将扰动信号(310)引入到所述电力系统仿真模型(304)中;
所述电力系统仿真器(302)被配置为利用快速傅里叶变换(336)生成所述阻抗数据(328),其中在时间的窗口(338)内计算所述快速傅里叶变换(336);以及
所述多个扰动频率(320)被选择为使得所述线路频率(306)和所述多个扰动频率(320)是所述窗口(338)的频率的整数倍。
3.根据权利要求2所述的装置,其中所述电力系统仿真器(302)被配置为:
选择多个初始扰动频率(342);
识别所述线路频率(306);
选择所述窗口(338)的频率以使得所述线路频率是所述窗口(338)的频率的整数倍;以及
调整所述多个初始扰动频率(342)以提供所述多个扰动频率(320)。
4.根据权利要求1所述的装置,其中:
所述电力系统仿真器(302)被配置为以多个扰动频率(320)将扰动信号(310)引入到所述电力系统仿真模型(304)中以生成所述阻抗数据(328);以及
所述扰动信号(310)是从单音调(322)信号和多音调(324)信号中选择的,其中所述多音调(324)信号包含所述多个扰动频率(320)。
5.根据权利要求4所述的装置,其中所述多个扰动频率(320)被选择为使得所述多音调(324)信号中的所述多个扰动频率(320)不交叠。
6.根据权利要求1所述的装置,其中所述稳定性分析器(204)被配置为利用从广义奈奎斯特准则(402)、广义奈奎斯特准则的简化形式(404)和适用于单输入单输出系统(406)的奈奎斯特准则(402)中选择的准则来表征所述电力系统(100)的所述稳定性概况(401)。
7.根据权利要求1所述的装置,其中所述稳定性分析器(204)被进一步配置为将现实世界电力系统(100)的稳定性概况(401)表征为所述现实世界电力系统(100)的阻抗测量数据(218)的函数。
8.一种用于电力系统(100)稳定性优化的方法,所述方法包括:
对包含电源元件(109)和负载元件(111)的电力系统(100)进行仿真以生成阻抗数据(328),其中所述阻抗数据(328)识别所述电力系统(100)的阻抗;以及
将所述电力系统(100)的稳定性概况(401)表征为所述阻抗数据(328)的函数,其中所述稳定性概况(401)识别所述电源元件(109)和负载元件(111)以通过所述电力系统(100)控制电能生成,从而优化所述电力系统(100)的稳定性。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述电力系统(100)由所述电源元件(109)和所述负载元件(111)之间的接口(112)处的线路频率(306)表征,并且所述方法进一步包括:
以多个扰动频率(320)将扰动信号(310)引入到所述电力系统(100)的电力系统(100)仿真模型(304)中;
利用快速傅里叶变换(336)生成所述阻抗数据(328),其中在时间的窗口(338)内计算所述快速傅里叶变换(336);以及
选择所述多个扰动频率(320)以使得所述线路频率(306)和所述多个扰动频率(320)是所述窗口(338)的频率的整数倍。
10.根据权利要求9所述的方法,其中选择所述多个扰动频率(320)包括:
选择多个初始扰动频率(342);
识别所述线路频率(306);
选择所述窗口(338)的频率以使得所述线路频率(306)是所述窗口(338)的频率的整数倍;以及
调整所述多个初始扰动频率(342)以提供所述多个扰动频率(320)。
11.根据权利要求8所述的方法,其中对所述电力系统(100)进行仿真包括:
以多个扰动频率(320)将扰动信号(310)引入到所述电力系统(100)的电力系统仿真模型(340)中;以及
从多个单音调(322)信号和多音调(324)信号中选择所述扰动信号(310),其中所述多音调(324)信号包含所述多个扰动频率(320)。
12.根据权利要求11所述的方法,其进一步包括:
选择所述多个扰动频率(320)以使得所述多音调(324)信号中的所述多个扰动频率(320)不交叠。
13.根据权利要求8所述的方法,其中表征所述电力系统(100)的所述稳定性概况(401)包括利用从广义奈奎斯特准则(402)、广义奈奎斯特准则的简化形式(404)和适用于单输入单输出系统(406)的奈奎斯特准则(402)中选择的准则表征所述电力系统(100)的所述稳定性概况(401)。
14.根据权利要求8所述的方法,其进一步包括利用现实世界电力系统(100)的阻抗测量数据(218)表征所述现实世界电力系统(100)的稳定性概况(401)。
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